黑硬的物質怎麼得

碳

原子能夠以多種方式結合在一起，形成截然不同的材料，比如柔軟的黑色石墨、極薄的石墨烯，還有堅硬而透明的金剛石。這也是為什麼許多人調侃，鑽石也不過是塊“碳”。

但從某種程度上來說，“鑽石恆久遠，一顆永流傳”這句廣告語也不無道理。金剛石被認為是地球上最堅硬的自然形成的物質之一。在自然中，它們形成於地球深處，通常需要長達數十億年時間的“歷練”。這一過程還需要極高的壓力和極高的溫度，一般超過1000℃。

金剛石與藍絲黛爾石的原子結構示意圖。| 圖片來源：The Conversation

事實上，不止一種碳基材料具有類似金剛石的結構。普通金剛石中的碳原子會排列成立方體的晶體結構；然而，也有碳原子排列成

六方晶體

的情況，這種不同形式的金剛石被稱為

藍絲黛爾石

（Lonsdaleite）

，它是以利用X射線來研究碳結構的愛爾蘭晶體學家

凱瑟琳·朗斯代爾

（Kathleen Lonsdale）

命名的。

作為一名生活在20世紀上半葉的女性科學家，

朗斯代爾

創造了許多“第一次”——她是UCL第一位女性終身教授，國際晶體學學會第一位女性主席，不列顛科學促進會的第一位女性主席……

凱瑟琳·朗斯代爾。| 圖片來源：Smithsonian Institution / Wikimedia Commons

藍絲黛爾石很曾在亞利桑那州迪亞布洛峽谷的隕石坑被發現。一些科學家對這種物質很感興趣，因為據預測，它的堅硬程度應該比“最堅硬”的普通金剛石還要高58%。

事實上，金剛石在許多領域都是一種極具吸引力的材料，它有超高的硬度、良好的導熱性等許多優點，應用十分廣泛。正因如此，人們也一直在尋求人工合成金剛石的穩定途徑。

早在1954年，金剛石已經在實驗室中被合成了出來。美國物理化學家

特雷西·霍爾

（Tracy Hall）

在實驗室中模擬了地殼之下的自然條件，並加入金屬催化劑來加速生長過程，最終成功地製造出了金剛石。這種高壓、高溫的金剛石與自然界中發現的金剛石相似，但它們的體積往往比較小，不夠完美。直到今天，人們仍在使用

高溫高壓

的方法，主要是在一些工業應用中。

另一種製造金剛石的主要方法是透過一種化學氣體工藝，這需要利用一顆小型的金剛石作為“種子”，“長出”更大的金剛石。這種方法同樣需要800℃左右的溫度。雖然這種金剛石生長相當緩慢，但它們可以長得很大，相對來說也少有缺陷。

藍絲黛爾石的人工合成也曾被實現。研究人員在實驗室中利用高壓壓力裝置或爆炸物，透過加熱和壓縮石墨，成功合成出微量的藍絲黛爾石。

但問題是，所有這些製造方法似乎都離不開高溫條件。然而近日，一組國際團隊第一次在未經加熱的條件下，在實驗室中成功地製造出金剛石。在室溫條件下，他們只用了幾分鐘時間就製造出了金剛石和藍絲黛爾石。研究結果已於近日發表於

Small

。

一些研究人員已經注意到，自然界提供了形成金剛石的其他方式的線索。比如，在隕石猛烈撞擊地球的過程中，以及在太陽系高速執行的小行星碰撞過程中也可能形成金剛石，我們稱之為“地外金剛石”。

在研究地外金剛石形成的過程中，有證據表明，除了高溫和高壓之外，

剪力

（或者說“滑動力”）

對觸發形成可能也起到了重要作用。

剪力示意圖。| 圖片來源：Wikimedia Commons

受到剪力的物體會在頂部被往一個方向推動，在底部則朝著相反方向推動。舉個例子，如果我們把一摞牌的頂部往左推，底部往右推，就會使這一摞牌滑動，牌就會散開。這也是為什麼剪力也被稱為“滑動”力。

在新研究設計的實驗中，一小塊類似石墨結構的碳承受了極端的剪力和高壓。與之前的大多數工作不同，在壓縮的過程中，研究人員沒有對碳樣品進行任何額外加熱。利用先進的電子顯微技術

（一種用於捕捉非常高解析度影象的技術）

，他們發現，壓縮後的樣品既含有普通金剛石，也含有藍絲黛爾石。

新研究用實驗證明了，

僅僅透過施加高壓，金剛石和藍絲黛爾石都可以在室溫下形成

。

樣品的電鏡照片。| 圖片來源：The Conversation

在這種前所未見的排列中，一條狹長的金剛石“河流”

（比一根頭髮還要細約200倍）

被藍絲黛爾石的“海洋”包圍。這種排列結構非常像在其他材料中觀察到的“剪下帶”，剪下帶中狹窄區域會經歷強烈的區域性應變。這表明，

在室溫下剪力是這些金剛石形成的關鍵

。

在室溫下，用幾分鐘就能製造出金剛石，這提供了許多可能性，特別是對於那些需要極其堅硬材料的行業來說，能夠利用這種方法來製造“比金剛石還硬”的藍絲黛爾石，絕對是一個令人興奮的訊息。

研究人員表示，接下來面臨的挑戰就是

降低形成金剛石所需的壓力

。這項研究觀察到的室溫下金剛石形成所需的最低壓力是80吉帕斯卡——這相當於在一隻芭蕾舞鞋的鞋尖上放640頭非洲象！

他們相信，如果金剛石和藍絲黛爾石都能在較低的壓力下被製造出來，那我們就能更快地製造出更多更廉價的金剛石。同時，這也能幫助進一步瞭解金剛石是如何在地球、隕石撞擊過程甚至宇宙中其他地方形成的。

撰文：Dougal McCulloch（皇家墨爾本理工大學教授）

Jodie Bradby（澳大利亞國立大學物理學教授）

原文標題為“We created diamonds in mere minutes， without heat — by mimicking the force of an asteroid collision”，於2020年11月18日首發於The Conversation，原文連結：https：//theconversation。com/we-created-diamonds-in-mere-minutes-without-heat-by-mimicking-the-force-of-an-asteroid-collision-150369，文章基於CC協議翻譯，中文內容有編輯，僅供參考，一切內容以原文為準。